Βελτίωση των Προγνώσεων της Ερημικής σκόνης: η εφαρμογή στο ερευνητικό πρόγραμμα CiROCCO

Στην εποχή της κλιματικής αλλαγής, η ακριβής παρακολούθηση και πρόβλεψη της ποιότητας του αέρα αποτελεί κρίσιμο ζήτημα για την ανθρώπινη υγεία και τη βιωσιμότητα των οικοσυστημάτων. Τα εργαλεία που χρησιμοποιούμε για την πρόγνωση είναι τα αριθμητικά μοντέλα και οι παρατηρήσεις από το έδαφος, τον αέρα και το διάστημα. Μία από τις σημαντικότερες μεθόδους που βελτιώνει τις προγνώσεις, είναι η αφομοίωση δεδομένων (data assimilation), δηλαδή η ενσωμάτωση των παρατηρήσεων στα αριθμητικά μοντέλα πρόγνωσης των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Μέσω αυτής της μεθόδου, τα δεδομένα από δορυφόρους και επίγειους σταθμούς υποστηρίζουν την ακριβή προσομοίωση των συνθηκών του παρόντος, ώστε να προβλέπεται με μεγαλύτερη ακρίβεια ο καιρός και η ρύπανση των ερχόμενων ημερών.

Από τη θεωρία στην πράξη: η περίπτωση του CiROCCO

Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα εφαρμογής της συγκεκριμένης προσέγγισης αποτελεί η αφομοίωση δεδομένων ερημικής σκόνης στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού έργου CiROCCO. Το ΕΑΑ είναι ένας από τους 12 εταίρους του τρέχοντος έργου (2023-2026) με πολλαπλούς ρόλους, ένας εκ των οποίων είναι η ενίσχυση της ακρίβειας των προγνωστικών αριθμητικών μοντέλων, μέσω της συστηματικής συλλογής δεδομένων ατμοσφαιρικών αερολυμάτων από απομακρυσμένες και συχνά υπο-εκπροσωπούμενες περιοχές στα ατμοσφαιρικά μετρητικά δίκτυα.

Τα δεδομένα εξ αποστάσεως, δηλαδή οι δορυφορικές παρατηρήσεις, προσφέρουν ευρεία γεωγραφική κάλυψη – κάτι ιδιαίτερα κρίσιμο για απομακρυσμένες περιοχές, όπου η επίγεια δειγματοληψία είναι περιορισμένη ή σχεδόν ανύπαρκτη. Στα πλαίσια του προγράμματος χρησιμοποιούνται τα δεδομένα ModIs Dust AeroSol (MIDAS), ένα προϊόν οπτικού βάθους σκόνης (Dust optical Depth, DOD), το οποίο προσφέρει παγκόσμια κάλυψη σε χωρική ανάλυση 0.1ο x 0.1ο. Τα δεδομένα DOD MIDAS προκύπτουν συνδυάζοντας το προϊόν οπτικού βάθους (Aerosol Optical Depth, AOD) του οργάνου MODIS-Aqua μαζί με την αναλογία σκόνης σε σχέση με το ολικό φορτίο aerosol του ατμοσφαιρικού μοντέλου Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications version 2 (MERRA-2).

Για την περαιτέρω ενίσχυση των προγνωστικών πεδίων, πραγματοποιείται παράλληλη συλλογή μετρήσεων του συνολικού οπτικού βάθους αερολυμάτων (AOD) σε επιλεγμένες πιλοτικές περιοχές, μέσω φορητών ηλιοφωτόμετρων. Αυτές οι επίγειες παρατηρήσεις, που αφορούν επεισόδια εκπομπής σκόνης και προέρχονται από περιοχές κοντά στις πηγές εκπομπών, παρέχουν κρίσιμα δεδομένα τα οποία τροφοδοτούν και βελτιώνουν τη λειτουργικότητα του συστήματος πρόγνωσης.

Η ενσωμάτωση των δεδομένων οπτικού βάθους σκόνης γίνεται στο ατμοσφαιρικό μοντέλο WRF-Chem, με τη μέθοδο Newtonian relaxation (γνωστή και ως nudging), κατά την οποία, η πρόγνωση του μοντέλου διορθώνεται από την αντίστοιχη παρατήρηση, με βάση έναν συντελεστή προσαρμογής. Η ενσωμάτωση πραγματοποιείται εντός καθορισμένου “παραθύρου αφομοίωσης” [12 ώρες], κατά το οποίο επιχειρείται η ελαχιστοποίηση της διαφοράς ανάμεσα στα πεδία πρόγνωσης του μοντέλου και στις διαθέσιμες δορυφορικές παρατηρήσεις (MIDAS DOD).

Κατά τη διαδικασία της αφομοίωσης των δεδομένων, παράγονται δύο τύποι πεδίων από το μοντέλο WRF-Chem:

• Forecast data: προγνωστικά πεδία πριν την ενσωμάτωση παρατηρήσεων,
• Analysis data: πεδία μετά την ενσωμάτωση, δηλαδή τα τελικά “βελτιωμένα” πεδία σκόνης.

Τα τελικά πεδία αξιολογούνται μέσω της σύγκρισής τους με συγκεντρώσεις μάζας των αιωρούμενων σωματιδίων PM2.5 και PM10 που προέρχονται από τοπικούς κόμβους αισθητήρων χαμηλού κόστους (LCSNs) καθώς και από μετρήσεις οπτικού βάθους αερολυμάτων (AOD) από επιλεγμένες περιοχές.

Παράλληλα και στο πλαίσιο του έργου, έχει αναπτυχθεί ένα σύστημα διαχείρισης δεδομένων εισόδου και εξόδου με σκοπό να διευκολύνει την πρόσβαση στις παρατηρήσεις και τα αποτελέσματα του συστήματος αφομοίωσης.

Τα κύρια στοιχεία της διαδικασίας παρουσιάζονται στο διάγραμμα ροής (Σχήμα 1).

Σχήμα 1: Διάγραμμα ροής της ανάπτυξης και αξιολόγησης της αξιοπιστίας του συστήματος αφομοίωσης CiROCCO.

Μια πιλοτική δοκιμή του συστήματος (διάρκειας περίπου 20 ημερών) πραγματοποιήθηκε για το διάστημα 2–21 Σεπτεμβρίου 2021. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν την αξία του για τις προγνώσεις του οπτικού βάθους του στρώματος αιωρούμενης σκόνης (DOD), προσεγγίζοντας τις πραγματικές συνθήκες όπως αυτές αποτυπώνονται στα δορυφορικά δεδομένα (Σχήμα 2).

Σχήμα 2: Οπτικό βάθος σκόνης στις 20-09-2021 (00 UTC)  (i) Πρόγνωση οπτικού βάθους σκόνης από το ατμοσφαιρικό μοντέλο WRF-Chem, πριν την ενσωμάτωση παρατηρήσεων , (ii) Παρατήρηση MIDAS, (iii) Πεδίο οπτικού βάθους σκόνης από το ατμοσφαιρικό μοντέλο WRF-Chem, μετά την ενσωμάτωση παρατηρήσεων MIDAS.

Η ερευνητική και υπολογιστική επένδυση και ανάπτυξη που έγιναν στα πλαίσια του προγράμματος CiROCCO, ενισχύει σημαντικά την ικανότητα των αριθμητικών ατμοσφαιρικών συστημάτων να αποτυπώνουν τις ροές και τις συγκεντρώσεις της ερημικής σκόνης, τόσο σε επίπεδο κολώνας, όσο και στη γήινη επιφάνεια. Κάτι τέτοιο έχει προφανή επαγόμενα οφέλη για την ακριβέστερη εκτίμηση του ηλιακού δυναμικού περιοχών που υφίστανται επεισόδια σκόνης, αλλά και για τον προσδιορισμό των χημικών συστατικών των αιωρούμενων σωματιδίων, άρα και της διαφοροποιημένης επίδρασής τους στην υγεία.

Σχετικές Δημοσιεύσεις και Aντίστοιχοι Sύνδεσμοι

– CiROCCO Website: https://cirocco-project.eu/

– Drakaki, E., Gkikas, A., Georgiou, T., El-Askary, H., and Amiridis, V.: Enhancing WRF-Chem Dust Predictions Through Assimilation of Satellite-Based MIDAS Dust Optical Depth Data, EGU General Assembly 2025, Vienna, Austria, 27 Apr–2 May 2025, EGU25-18448, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu25-18448, 2025.

– CiROCCO Webinar “Desert Dust: From Monitoring and Forecasting to Satellite Synergies” https://cirocco-project.eu/3rd-online-webinar/

Acknowledgements: Το παρόν έργο χρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση μέσω του έργου CiROCCO (#101086497). Ωστόσο, οι απόψεις και οι γνώμες που εκφράζονται είναι των συγγραφέων και δεν αντικατοπτρίζουν απαραίτητα τη θέση της Ευρωπαϊκής Ένωσης ή του Ευρωπαϊκού Εκτελεστικού Οργανισμού Έρευνας (REA). Συμπληρωματικά, η Ευρωπαϊκή Ένωση ή/και η χορηγούσα αρχή δεν είναι υπεύθυνες για τις τοποθετήσεις στο παρόν άρθρο.